一种孤岛微电网PCC节点电压质量提升方法与流程

本发明属于并联电流源型变流器空间矢量调制领域，具体涉及一种基于自适应虚拟阻抗控制的孤岛微电网pcc节点电压质量提升方法，利用自适应虚拟阻抗控制实现非线性负载谐波的有效补偿。

背景技术：

微电网因其能够更好地协作进行可再生能源控制而得到了广泛的研究。微电网的孤岛运行使得其允许dg单元在大电网故障的情况下具备向负载持续供电的能力。对于微电网的孤岛运行，一个重要的任务是实现并联dg单元之间的功率均分。在以往的研究中，基于有功-频率、无功-电压幅值的下垂控制方法已经被广泛研究。这些方法的主要优点在于并联dg单元之间不需要通信线路，具有良好的鲁棒性。然而，此前的传统下垂控制并不能主动控制微电网的电能质量，特别是当多个串并联dg单元相互组合时，由于控制环路与输出滤波器间的相互作用，整个系统的谐波表现十分复杂，更加难以控制。特别是对于高非线性负载渗透率的弱电网，上述现象更加明显。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种孤岛微电网pcc节点电压质量提升方法，在通过下垂控制实现各个dg单元之间功率均分的基础上，结合虚拟阻抗控制方法，对本地非线性负载引起的pcc电压畸变进行有效补偿，并同时为系统提供阻尼，防止谐振现象发生。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种孤岛微电网pcc节点电压质量提升方法，基于并联分布式发电单元(dg)的孤岛结构，两个分布式发电单元dg1、dg2分别由直流电压源vdc1，vdc2接单相逆变全桥后接lcl滤波器组成；两个并联分布式发电单元于交流侧并联后接至公共连接点(pcc)，为pcc非线性负载供电；能够实现对本地非线性负载所引起谐波的有效补偿，并为微电网提供有源阻尼，包括以下步骤：

(1)控制器仅采集每个dg单元的输出电流il并利用二阶广义积分器(sogi)模块得到其基频分量il,f与各次谐波分量il,h公式如下：

其中，ωref为基波电压的相位参考，ωc为截止频率，s微分项，h为谐波次数，il为每个dg单元输出电流；同时，dg的共轭输出电流il，f_delay和il，h_delay也在sogi模块内使用四分之一周期延迟模块得到；

(2)所得电流谐波分量il，h经过虚拟阻抗控制后输出谐波电压参考vvi；

(3)所得电流基频分量il，f与给定电网电压vgrid经过功率计算模块估算出每个分布式电源的有功功率pdg与无功功率qdg，将所得有功功率与无功功率输入下垂控制模块得到基波电压的幅值参考eref与相位参考ωref；其中，给定电网电压初始值设置为零，并由步骤(4)中所得的下垂电压参考作为电网电压的估计值，对电网电压vgrid进行实时更新；

(4)所得基波电压的幅值参考eref与相位参考ωref经过调制后得到下垂电压参考vdroop，并将下垂电压参考作为给定电网电压vgrid的估计值；将下垂电压参考vdroop与谐波电压参考vvi相加后除以每个dg单元直流侧的直流电压vdc得到调制波进入pwm调制环节，生成相应dg单元逆变器的门极开关信号控制相应开关管的开通与关断。

进一步的，步骤(1)中sogi模块的基波电压相位参考ωref由下垂控制模块得到。

进一步的，步骤(2)中的虚拟阻抗控制包括以下步骤：

将3，5，7次谐波电流分量il，h分别乘以虚拟电阻系数rv，h(h＝3，5，7)相加后得到的值与3，5，7次共轭谐波电流分量il，h_delay分别乘以虚拟电感系数hωlv，h相加后得到的值求和，得到谐波电压参考vvi。

进一步的，步骤(3)中的功率计算模块包括以下步骤：

(a)以步骤(4)所得的下垂电压参考vdroop作为给定电网电压vgrid的估计值，并利用四分之一周波延时环节获得其共轭分量vdroop_delay；

(b)结合步骤(1)所得的基频电流il，f及其共轭il，f_delay，带入式(1-2)，式(1-3)，得到dg单元的有功功率和无功功率估计值pdg和qdg

pdg＝1/3(vdroop·il，f+vdroop_delay·il，f_delay)(1-2)

qdg＝1/3(vdroop·il，f_delay-vdroop_delay·il，f)(1-3)。

进一步的，步骤(3)中的下垂控制模块包括以下步骤：

(c)基波电压的幅值参考eref由无功功率与电压幅值的关系式(1-4)得到：

eref＝e^*+dq·(q^*-qdg)(1-4)

(d)基波电压的相位参考ωref由有功功率与角频率关系式(1-5)得到：

ωref＝ω^*+dp·(p^*-pdg)(1-5)

其中，p^*和q^*分别为dg的额定有功功率和无功功率；e^*和ω^*分别为dg的额定电压幅值和角频率，dq和dp分别为无功下垂系数和有功下垂系数。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明使用下垂控制与自适应虚拟阻抗相结合的控制方式，可以在无通讯线的情况下保证并联dg单元功率均分，同时对本地非线性负载引起的电压波形畸变进行有效补偿，相比较传统集中控制方法节省了通讯线路的成本，同时也避免了因通讯线路干扰造成的系统稳定性问题，使得系统鲁棒性大大增强。

(2)自适应的虚拟阻抗还可以为电网提供有源阻尼，降低系统的谐振风险，提升系统的电能质量，而目前的新能源微网均属于短路比较低的弱电网，这对于新能源电网的安全稳定运行具有重大意义。

附图说明

图1为系统的结构与控制框图；

图2(a)、图2(b)分别为施加控制前后两个dg的输出电压及pcc电压波形图；

图3为施加控制前后pcc电压的thd对比图。

具体实施方式

下面结合附图表对本发明的用于孤岛微电网pcc电压质量提升的自适应虚拟阻抗控制具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。

本实施例以双dg单元并联孤岛系统为例，图1展示了本发明具体实施方式的电路拓扑及控制框图。如图1所示，两个带有lcl滤波器的dg单元dg1，dg2交流侧分别经过lcl滤波器后并联在一起，为带有非线性负载的孤岛系统供电。

本发明本用于孤岛微电网pcc电压质量提升的自适应虚拟阻抗控制基本步骤如下：

(1)控制器仅采集每个dg单元的输出电流il并利用二阶广义积分器(second-ordergeneralizedintegrator，sogi)模块得到其基频分量il，f与各次谐波分量il，h公式如下：

其中，ωref为基波电压的相位参考，ωc为截止频率，s微分项，h为谐波次数，il为每个dg单元输出电流。同时，dg的共轭输出电流il，f_delay和il，h_delay也在sogi模块内使用四分之一周期延迟模块得到；其中，sogi模块的基波电压相位参考ωref由下垂控制模块得到。

(2)所得电流谐波分量il，h经过虚拟阻抗控制后输出谐波电压参考vvi；

(3)所得电流基频分量il，f与给定电网电压vgrid经过功率计算模块估算出每个分布式电源的有功功率pdg与无功功率qdg，将所得有功功率与无功功率输入下垂控制模块得到基波电压的幅值参考eref与相位参考ωref；；其中，给定电网电压初始值设置为零，并由步骤(4)中所得的下垂电压参考作为电网电压的估计值，对电网电压vgrid进行实时更新。

(4)所得基波电压幅值参考eref与相位参考ωref经过调制后得到下垂电压参考vdroop，并将下垂电压参考作为给定电网电压vgrid的估计值；将下垂电压参考vdroop与谐波电压参考vvi相加后除以每个dg单元直流侧的直流电压vdc得到调制波进入pwm调制环节，生成相应dg单元逆变器的门极开关信号控制相应开关管的开通与关断。

具体的，步骤(2)中的虚拟阻抗控制包括以下步骤：

将3，5，7次谐波电流分量il，h分别乘以虚拟电阻系数rv，h(h＝3，5，7)相加后得到的值与3，5，7次共轭谐波电流分量il，h_delay分别乘以虚拟电感系数hωlv，h相加后得到的值求和，得到谐波电压参考vvi。

步骤(3)中的功率计算模块包括以下步骤：

(a)将步骤(4)所得的下垂电压参考vdroop作为电网电压vgrid的估计值，并利用四分之一周波延时环节获得其共轭分量vdroop_delay；

(b)结合步骤(1)所得的基频电流il，f及其共轭il，f_delay，带入式(2-2)，式(2-3)，得到dg单元的有功功率和无功功率估计值pdg和qdg。

pdg＝1/3(vdroop·il，f+vdroop_delay·il，f_delay)(2-2)

qdg＝1/3(vdroop·il，f_delay-vdroop_delay·il，f)(2-3)

具体的，步骤(3)中的下垂控制模块包括以下步骤：

(a)基波电压的幅值参考eref由无功功率与电压幅值的关系式(2-4)得到：

eref＝e^*+dq·(q^*-qdg)(2-4)

(b)基波电压的相位参考ωref由有功功率与角频率关系式(2-5)得到：

ωref＝ω^*+dp·(p^*-pdg)(2-5)

其中，p^*和q^*分别为dg的额定有功功率和无功功率；e^*和ω^*分别为dg的额定电压幅值和角频率，dq和dp分别为无功下垂系数和有功下垂系数。

图2(a)，(b)分别为应用本控制方法前后pcc电压的稳态波形图，由图可以看出，在应用本控制之前，由于dg单元的本地侧带有大量非线性负载，pcc电压波形畸变非常严重。而在应用本文所提控制方法后，pcc电压质量明显改善，非常接近于正弦。

图3为应用本控制前后pcc电压的thd对比图，由图可以看出，应用本控制方法后，pcc电压的thd从23.27％减小为4.67％，电压质量的改善十分明显。

综上，本发明方法可以在实现各dg单元功率均分的基础上大幅提升pcc点的电压质量。本发明所提出的控制策略，可以在多dg单元并联的孤岛微电网中实现无需通讯线路的功率均分，同时有效补偿因本地非线性负载带来的电压波形畸变，并且自适应的虚拟阻抗可以为电网提供有源阻尼，降低系统的谐振风险，是一种值得推广的新型孤岛微电网控制策略。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。